- Trình bày được khái niệm của giản đồ pha, các điểm và các đường g i ới hạn xảy ra chuyển biến giữa các pha ;
1.3.Pha trung gian
1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mục tiêu
1.3.Pha trung gian
Các hợp chất hóa học có trong hợp kim thường được gọi là pha trung gian
bởi vì trên giản đồ pha nó có vị trí ở giữa, trung gian giữa các dung dịch rắn có hạn ở hai đầu mút.
Thường hiểu hợp chất hóa học tạo thành tuân theo quy luật hóa trị. Các hợp chất này mang các đặc điểm sau:
1) Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần. 2) Ln ln có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và biểu diễn bằng cơng thức hóa học AmBn với m, n là các số nguyên.
3) Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần với đặc điểm là giòn (khác hẳn với kim loại).
4) Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể.
Trong hợp kim rất ít gặp các hợp chất với hóa trị (thường gặp nhiều trong vật liệu vô cơ - ceramic) với tư cách là pha tham gia quyết định tính chất (có thể thấy chúng trong hợp kim dưới dạng vật lẫn tạp chất như ôxyt, sunfit với lượng rất nhỏ). Phần lớn các hợp chất hóa học trong hợp kim có những đặc điểm khác với các hợp chất hóa học theo hóa trị như sau:
- Không tuân theo quy luật hóa trị,
- Khơng có thành phần hóa học chính xác (hay nói đúng hơn dao động trong một khoảng quanh thành phần chính xác theo cơng thức),
- Có liên kết kim loại.
Các pha trung gian trong hợp kim thường gặp gồm có: pha xen kẽ, pha điện tử và pha Laves.
1.3.2. Pha xen kẽ
Là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (có bán kính ngun tử lớn) với các á kim có bán kính ngun tử bé như cacbon, nitơ, hyđrơ (và bo): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit). Cấu trúc mạng của pha xen kẽ được xác định bởi tương quan kích thước nguyên tử giữa á kim (X) và kim loại (M):
- Nếu rX / rM < 0,59 các nguyên tử kim loại trong pha này sắp xếp theo một
trong ba kiểu mạng đơn giản thường gặp là A1, A2, A3 (nhưng không giữ lại kiểu mạng vốn có), cịn các ngun tử á kim xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng, tạo nên hợp chất với các công thức đơn giản như M4X, M2X, MX.
- Nếu rX / rM > 0,59 sẽ tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp (được gọi là pha xen kẽ với mạng phức tạp) với các công thức phức tạp hơn như M3X,
M7X3, M23X6.
Đặc tính nổi bật của pha xen kẽ là có nhiệt độ chảy rất cao (thường > 2000 từ 3000oC), rất cứng (HV > 2000 từ 5000) và giịn, có vai trị rất lớn trong hóa bền, nâng cao tính chống mài mịn và chịu nhiệt của hợp kim.
Do hyđrơ và nitơ có kích thước ngun tử khá nhỏ nên tỷ số trên < 0,59, các hyđrit, nitrit đều là pha xen kẽ mạng đơn giản. Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N,
Cr2N... được tạo thành khi thấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng, tính chống mài
pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản như WC, TiC, Mo2C, VC chúng còn tạo nên các cacbit với kiểu mạng phức tạp như Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6. Các cacbit trên là thành phần chủ yếu của hợp kim cứng và có trong các thép có tác dụng làm tăng độ cứng và tính chống mài mịn.
1.3.3.Pha điện tử (Hum - Rothery)
Là hợp chất hóa học có nồng độ điện tử N (số điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mà mỗi tỷ lệ ứng với một cấu trúc mạng phức tạp nhất định.
Với nồng độ điện tử 3/2 được gọi là pha β với kiểu mạng lập phương tâm
khối hay lập phương phức tạp hoặc sáu phương, với nồng độ 21/13 được gọi là pha γ với mạng phức tạp, với nồng độ 7/4 được gọi là pha ε với mạng sáu phương xếp chặt. Pha điện tử được tạo thành bởi các kim loại giữa hai nhóm: hóa trị một (Cu, Ag, Au, Li, Na) và chuyển tiếp (Mn, Fe, Co...) với hóa trị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al...). Ví dụ hệ Cu - Zn tạo nên một loạt pha điện tử: CuZn (pha β, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha γ, N = 21/13), CuZn3 (pha ε, N = 7/4).
1.3.4. Pha Laves
Tạo nên bởi hai ngun tố A, B có tỷ lệ bán kính ngun tử rA / rB= 1,2
(có thể biến đổi trong khoảng 1,1 ÷1,6) với cơng thức AB2 có kiểu mạng sáu phương xếp chặt như MgZn2, MgNi2hay lập phương tâm mặt (MgCu2).
Ngồi các pha trên trong các hợp kim đơi khi còn gặp các pha khác như
σ, λ, δ, µ...
Do đặc tính nổi bật là giịn nên khơng bao giờ dùng hợp kim với tổ chức chỉ có một pha duy nhất là pha trung gian. Trong các hợp kim lượng các pha trung gian thường chiếm tỷ lệ nhỏ < 10% (đôi khi tới 20 ÷ 30%), bên cạnh dung dịch rắn, có tác dụng cản trượt tăng độ bền, độ cứng.